빛: 전기장과 자기장의 교차 진동
빛은 우리가 사용하는 휴대폰의 전파와 같은 전자기파다, 아니, 역으로 말하자면 모든 전자기파는 빛이다.
다만, 볼 수 있느냐 볼 수 없느냐 차이 뿐이다.
이동통신의 경우 4G는 330MHz (초당 3억 3천만번), 5G는 2-5GHz(초당 20억-50억번) 주파수를 사용하며, 우리가 보는 빨간색은 400THz(초당 400조번), 보라색이 800THz(초당 800조번) 진동하는 주파수를 갖고 있다.
전기를 띤 물질을 1초당 400조번 흔들어 주면 400조번 진동수를 갖는 빨간 빛이 나오게 된다.
그런데, 뭐가 진동하나?
모든 전자기파는 전기장(E: Electric Filed)과 자기장(B: Magnetic Field, M보다는 전통적으로 B를 사용, 맥스웰이 방정식에 M을 다른 용도로 사용하며 자기장에 B를 도입하며 B로 통칭)이 상호 진동하며 만들어진다.
즉, 전기를 띤 물질을 세게 흔들면 주변에 전기장이 흔들리고, 그 흔들린 전기장이 자기장을 만들고, 흔들린 자기장이 전기장을 다시 만드는 반복, 이것이 전자기파이며 빛이다.
1885년, 2023년 현재 기준 불과 138년전, 독일의 물리학자 헤르츠에 의해 처음으로 전파, 전자기파, 빛이 만들어 진다.
이 과정을 가장 쉽고 재미있게 설명한 유튜브를 참고해 보자.
이 사이트의 내용을 요약하면 다음과 같다.
자, 길다란 안테나 금속 선에 전기, 방향이 수시로 바뀌는 AC 교류 전기를 흘린다. 처음 시작은 위가 +, 아래가 -, 그러면 전기장이 +에서 – 아래 방향으로 만들어 진다.
그런데 교류 전기의 방향을 바꾸어주면 앗! 전기장 방향이 바뀐다! 아래서 위로!!!
이렇게 1초에 몇 번 방향을 바꾸어 주는가에 따라 진동수가 결정된다. 우리가 사용하는 4G 휴대폰 전파 330MHz는 1초에 3억 3천만번 전기장의 방향이 바뀌는 전자기파이다.
그런데 전기장의 방향이 바뀌면 즉, 전류가 흐르면, 자기장이 생긴다. 각 변화하는 전기장 E에 대해 각 변화하는 자기장 B가 표면으로 나오든가, 들어가는 수직 방향으로 생겨난다.
위 사이트 설명에선 전자기파가 퍼져 나가는 것에 대한 설명이 부족하다!
하나 더 보자!
(2) Antenna Theory Propagation - YouTube
도선에 흰 점으로 보이는 전자가 오른쪽으로 흐른다. 전류가 흐른다.
전자가 오른쪽으로 최대로 흘러간 모습이다.
이번에는 왼쪽으로 흐른다.
전자가 왼쪽으로 최대로 몰려간 모습니다.
이때 도선 주변에 자기장이 퍼진다!
전류 흐름이 멈추면 자기장 크기는 ‘0’가 된다!
도선 내부에는 전자가 몰려있는 곳이 -, 전자가 없는 곳이 + 전압을 갖게 된다!
전자가 오른쪽에 몰리며 전압 + - 가 역전된 모습이다.
변화되는 극성이 변화되는 전기장을 만들어 낸다.
전기장 보라색과 자기장 파란색이 직각으로 서로 교차하며 만들어진다.
이것이 시간적으로 교차하며 진행되는 것, 이것이 전파, 이것이 전자기파, 이것이 빛이다!
움직이는 전하가 전파를 만들어낸다!
이때 흔들리며 전파되는 것은 바로, 전기장과 자기장 세기의 크기다.
빛이란 무엇인가?
우리가 찾은 첫 번째 답, 빛이란 이 전기장과 자기장이 서로 엇갈리며 진동하는 것이다.
자, 그러면 빛의 근원인 바로 이 전기장과 자기장, 과연 무엇이며 어떻게 만들어지나?
—————